沾化凹陷孤島西部斜坡帶沙三段重力流沉積特征與源—匯體系

袁靜，鐘劍輝，宋明水，張宇，向奎，趙永福，俞國鼎，李欣堯

1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580

2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071

3.中石化勝利油田分公司，山東東營 257000

4.中石化油田部勘探處，北京 100029

水下重力流作為深水碎屑沉積的主要地質(zhì)營力，能夠在海(湖)底斜坡和深海平原及深湖區(qū)形成厚度和規(guī)模巨大的粗碎屑砂體沉積，在形成深水油氣儲(chǔ)層中起到重要作用，倍受國內(nèi)外學(xué)者的重視。湖盆斜坡帶是重力流形成和演化的重要場所，往往發(fā)育一級(jí)或多級(jí)坡折，導(dǎo)致其沉積體類型和沉積特征復(fù)雜多變，近年來，隨著陸相油氣勘探的深入，對(duì)其沉積砂體的重新認(rèn)識(shí)日益成為研究熱點(diǎn)。

濟(jì)陽坳陷沾化凹陷孤島西部斜坡帶是渤南洼陷生成油氣的主要指向區(qū)，是尋找隱蔽油氣藏的有利地區(qū)。1996年該區(qū)開始滾動(dòng)見產(chǎn)并投入開發(fā)，已發(fā)現(xiàn)沙三段多套含油層系，上報(bào)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量1393萬噸。前人在對(duì)其研究過程中，認(rèn)識(shí)到該區(qū)多條同沉積斷層控制了沙三段油藏的形成與分布[1-2]，但對(duì)砂體的展布和沉積機(jī)制缺乏研究，對(duì)其沉積相類型和碎屑來源也沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[1-3]，制約了對(duì)該區(qū)的精細(xì)勘探。本文以巖芯精細(xì)觀察為基礎(chǔ)，將巖—電—震資料和手段緊密結(jié)合，對(duì)沾化凹陷孤島西部斜坡帶沙三段開展系統(tǒng)研究，總結(jié)源—匯耦合體系，明確該區(qū)重力流類型、沉積特征和分布規(guī)律，建立斜坡帶不同觸發(fā)機(jī)制重力流演化模式和砂體發(fā)育模式，有助于對(duì)斜坡帶沉積過程和砂體的重新認(rèn)識(shí)和精細(xì)勘探，對(duì)其他類似地區(qū)也有借鑒意義。

1 構(gòu)造和地層特征

孤島西部斜坡帶位于沾化凹陷南部，墾西地壘以北，孤島凸起以西，渤南洼陷以南，羅家鼻狀構(gòu)造帶以東(圖1a)，勘探面積約200 km2。其基底為孤島凸起的一部分，自南向北發(fā)育5條近EW向或NEE向斷層，分別為Y139斷層、Y129斷層、Y125南斷層、Y125北斷層和Y99斷層(圖1b)，構(gòu)成由南東往北西依次降低的斷裂階梯狀構(gòu)造帶。

孤島西部斜坡帶新生界沙三段厚約350～400 m。對(duì)研究區(qū)120余口鉆遇目的層的井進(jìn)行了砂體劃分與拾取，將沙三段分為上、中、下三個(gè)亞段(圖1c)，其中研究區(qū)沙三上亞段地層剝蝕殆盡，故本文主要對(duì)沙三中、下亞段進(jìn)行研究。

圖1 孤島西部斜坡帶構(gòu)造綱要與沙三段地層劃分Fig.1 Structural outline of Gudao West Slope Zone and stratigraphic division of the Third Member of Shahejie Formation

2 碎屑來源與沉積特征

2.1 碎屑來源

在精細(xì)觀察709 m巖芯基礎(chǔ)上，對(duì)286張巖石薄片鑒定和531塊樣品粒度分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，孤島西斜坡沙河街組沙三段巖石類型為砂礫巖類、砂巖類、粉砂巖類和黏土巖類。儲(chǔ)層類型主要為中細(xì)粒巖屑質(zhì)長石砂巖和中細(xì)粒長石質(zhì)巖屑砂巖，石 英含量平均為41.2%，長石含量平均為30.6%，巖屑含量平均為29.5%，其中以變質(zhì)巖巖屑含量最高，其次為巖漿巖巖屑和沉積巖巖屑。

根據(jù)碎屑巖巖屑類型組合平面分布特征(圖2)，結(jié)合古地形研究成果以及前人對(duì)沾化凹陷周圍母巖性質(zhì)和溝道分布的認(rèn)識(shí)[4-5]對(duì)孤島西部斜坡帶沙三段碎屑來源進(jìn)行了分析，認(rèn)為其具有來自東部孤島凸起及西南部陳家莊凸起的兩個(gè)物源方向的三個(gè)碎屑來源通道(圖2)。其中，陳家莊凸起基巖組分和平面分布差異性明顯，使得研究區(qū)西南部(陳家莊凸起西段)與南部(陳家莊凸起東段)兩個(gè)物源體系存在明顯差異。其中，研究區(qū)南部斜坡S—N向展布的溝谷[5]是陳家莊凸起東段太古代變質(zhì)巖基底風(fēng)化產(chǎn)物進(jìn)入研究區(qū)的供源通道，使得研究區(qū)中部地區(qū)沙三段碎屑顆粒中變質(zhì)巖巖屑占全部巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的75%以上；研究區(qū)西南部斜坡SWW—NEE向展布的溝谷[5]供源碎屑以陳家莊凸起西段古生代碳酸鹽巖巖屑為特征，使得研究區(qū)沙三下亞段西部(至K26井區(qū))碎屑顆粒中沉積巖巖屑占全部巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的55%以上。巖芯觀察揭示，位于研究區(qū)西南部的K105井沙三下亞段主要巖性為鈣質(zhì)砂巖和泥巖，碎屑顆粒中見有大量石灰?guī)r碎屑，也是陳家莊凸起西段古生界物源由西南側(cè)斜坡進(jìn)入研究區(qū)的有力證據(jù)。

2.2 沉積特征

沙三下亞段沉積時(shí)期，孤北和孤南斷層活動(dòng)強(qiáng)烈[6]，沾化凹陷基底沉降，湖泊面積擴(kuò)張，總體上呈現(xiàn)退積—加積型的充填樣式，研究區(qū)廣泛發(fā)育(半)深湖相油頁巖和暗色泥巖沉積，成為該區(qū)的主要烴源巖段和蓋層[1]，來自孤島凸起的近源碎屑物質(zhì)在研究區(qū)東部和北部形成近岸水下扇沉積，研究區(qū)中北部發(fā)育滑塌扇，南部發(fā)育零星透鏡狀灘壩砂體。沙三中、上亞段沉積時(shí)期處于湖退時(shí)期，研究區(qū)最終遭受剝蝕。該時(shí)期孤北和孤南斷層活動(dòng)減弱，湖盆逐漸變淺，主要表現(xiàn)為進(jìn)積型充填樣式，在靠近孤島凸起西南緣淺水區(qū)發(fā)育扇三角洲沉積、西北緣深水區(qū)發(fā)育近岸水下扇沉積，來自陳家莊凸起的辮狀河三角洲沉積分布于研究區(qū)南部淺水區(qū)，扇三角洲前緣和辮狀河三角洲前緣砂體前方深水區(qū)發(fā)育北西方向分布的串珠狀滑塌扇。

圖2 孤島西部斜坡帶沙三段巖屑類型分布圖Fig.2 Distribution of rock debris types of the Third Member of Shahejie Formation in Gudao West Slope Zone

3 主要重力流類型及其沉積特征

由于研究目的和學(xué)科的差異，沉積物重力流有多種劃分方案?？傮w而言，Middletonetal.[7-8]、Mulderetal.[9-10]根據(jù)支撐機(jī)理將沉積物重力流分為泥石流(碎屑流)、顆粒流、液化流和濁流四種類型的分類方案為學(xué)者們普遍認(rèn)可。Shanmugametal.[11-12]根據(jù)深水重力流形成過程并結(jié)合流變學(xué)特征和搬運(yùn)機(jī)制提出了滑動(dòng)、滑塌、碎屑流和濁流四分的分類體系，成為目前較為流行的水下沉積物重力流的劃分方案。Mulderetal.[9,13]則根據(jù)觸發(fā)機(jī)制將重力流分為洪水引發(fā)的異重流和滑坡引發(fā)的濁流。

筆者以23口取芯井共計(jì)709 m巖芯的精細(xì)觀察描述為資料基礎(chǔ)，以上述3個(gè)分類方案為理論基礎(chǔ)，綜合考慮沉積物重力流的觸發(fā)機(jī)制、支撐機(jī)理、演化過程、沉積特征等因素，將孤島西部斜坡帶沙三段沉積物重力流劃分為異重流、碎屑流、液化沉積物流和濁流4種類型以及構(gòu)成彈性—塑性塊體搬運(yùn)序列的滑動(dòng)—滑塌。

3.1 異重流

異重流現(xiàn)象最早由Forel于1892年在萊曼湖(Lake Léman)中發(fā)現(xiàn)。近年來，人們對(duì)水下重力流研究程度不斷加深，認(rèn)識(shí)到高密度洪水河流潛入盆地低密度水體底部形成的異重流亦為一種重要的沉積物搬運(yùn)流體類型[9,14-16]。異重流為紊流狀態(tài)的牛頓流體，沉積顆粒主要靠湍流支撐，屬典型濁流，由于單次洪水事件能量先增強(qiáng)后減弱，不同于沉積物再搬運(yùn)的激發(fā)型濁流，Mulderetal.[10]將其稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)濁流。越來越多的證據(jù)表明，異重流在自身重力和慣性力作用下沿盆緣斜坡向盆地中心方向運(yùn)動(dòng)，可將陸上碎屑和淺水沉積物遠(yuǎn)距離搬運(yùn)到深水盆地[17]，堆積厚層碎屑巖沉積序列，是深水重力流沉積砂體的重要搬運(yùn)機(jī)制。研究區(qū)沙三段介形蟲化石以華北介、玻璃介、華花介、中國華北介為主，其中以生活在半咸水中的種屬占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，表明當(dāng)時(shí)氣候較為干燥，具有季節(jié)性洪水?dāng)y帶大量碎屑物質(zhì)進(jìn)入湖盆形成異重流的有利條件。

本次研究在孤島西部斜坡帶沙三段巖芯中發(fā)現(xiàn)大量的異重流沉積物。其沉積物粒度一般為中砂到粉砂，受洪水能量從增強(qiáng)到減弱演化過程的控制，其垂向序列主要表現(xiàn)為特征的反—正復(fù)合韻律，頂?shù)诐u變接觸，反遞變層理與正遞變層理之間一般無明顯的巖性突變接觸面(圖3a)。平行層理、爬升層理和波狀層理等也是異重流有別于其他重力流沉積的重要標(biāo)志(圖3b)。其中，平行層理多為洪水作用較強(qiáng)時(shí)期的產(chǎn)物，爬升層理和波狀層理則形成于洪水增強(qiáng)的初期和洪水減弱的末期[17]。由于異重流沉積是陸上河流攜帶的沉積物在匯水盆地卸載形成，因此其中含有豐富的炭屑和植物碎片等陸上成因有機(jī)質(zhì)[18]。研究區(qū)巖芯中常見植物碎屑。其中，雜亂分布于砂質(zhì)沉積物中的炭屑和植物碎片(圖3c)系與砂質(zhì)沉積物同時(shí)沉積而成，是異重流以湍流狀態(tài)搬運(yùn)沉積物的典型特征；層狀集中分布的炭屑和植物碎片(圖3d)則反映其形成于砂質(zhì)沉積結(jié)束后由懸浮狀態(tài)的集中沉降。

3.2 滑動(dòng)—滑塌

滑動(dòng)—滑塌是大多數(shù)斜坡帶沉積物形成沉積物重力流的觸發(fā)機(jī)制。沉積物在滑動(dòng)階段整體沿不連續(xù)剪切面移動(dòng)而內(nèi)部不發(fā)生形變或轉(zhuǎn)動(dòng)，基本上保留原始沉積物的沉積構(gòu)造，粒度概率累積曲線也保留著原始沉積物的特征；沉積物在滑塌階段沿下凹滑動(dòng)面運(yùn)移，會(huì)經(jīng)旋轉(zhuǎn)變形形成內(nèi)部褶皺、斷裂、旋轉(zhuǎn)巖塊等；滑動(dòng)—滑塌的支撐機(jī)制或繼承原流體性質(zhì)，或?yàn)槌紫秹毫χ?，整體凍結(jié)。

研究區(qū)內(nèi)沿斜坡走向發(fā)育多排同向傾斜的同沉積正斷層，為沉積物的滑動(dòng)—滑塌提供了觸發(fā)機(jī)制，巖芯觀察表明，區(qū)內(nèi)滑動(dòng)—滑塌構(gòu)造主要包括滑動(dòng)形成的滑動(dòng)剪切面以及滑塌成因的具有方向性的紋層揉皺變形等原生滑塌構(gòu)造和與之伴生的微同沉積斷層(圖3e，f，g)。有些微斷層上盤近斷層面處發(fā)育明顯的牽引構(gòu)造(圖3f)，顯示微斷層形成于沉積物未固結(jié)—半固結(jié)狀態(tài)；微斷層上下盤的含油級(jí)別明顯不同，也說明微斷層形成的時(shí)間較早。

3.3 碎屑流

碎屑流在研究區(qū)沙三段取芯井巖芯中出現(xiàn)頻率較高，反映其分布范圍較廣，累積厚度較大。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)碎屑流提出了多種分類方案。其中，王德坪[19]根據(jù)沉積物粒級(jí)構(gòu)成特征和觸發(fā)機(jī)制對(duì)碎屑流進(jìn)行分類；Shanmugam[11]則將在外力觸發(fā)下發(fā)生整體搬運(yùn)，具有塑性流體性質(zhì)，呈層流狀流動(dòng)，沉積物通過分散壓力、基質(zhì)強(qiáng)度和浮力等多種支撐機(jī)制支撐的塊狀固結(jié)的沉積物流稱為碎屑流。本文中以巖芯觀察為基礎(chǔ)，結(jié)合上述兩種分類方案，將孤島西部斜坡帶沙三段碎屑流劃分為礫質(zhì)碎屑流和砂質(zhì)碎屑流，并根據(jù)觸發(fā)機(jī)制將碎屑流劃分為洪水型和滑塌型2種成因類型。其中，洪水型碎屑流為陸源碎屑物質(zhì)在坡陡、近源的沉積背景下，受洪水觸發(fā)快速搬運(yùn)至湖盆沉積而成(圖3h，i)；滑塌型碎屑流由斜坡帶濱淺水區(qū)沉積物受地震、風(fēng)暴等觸發(fā)發(fā)生滑動(dòng)—滑塌，向湖盆中央搬運(yùn)凍結(jié)而成，其沉積物粒度一般較洪水型碎屑流細(xì)，圓度和分選性一般較洪水型碎屑流沉積物好(圖3j，k)。

3.3.1 礫質(zhì)碎屑流

研究區(qū)沙三段礫質(zhì)碎屑流沉積物主要成因于洪水型碎屑流，以礫石為主要骨架組分，以泥及粉細(xì)砂等為主要基質(zhì)，以反遞變層理和塊狀層理為主要構(gòu)造特征。

反遞變礫巖由基質(zhì)和顆粒碰撞產(chǎn)生的分散壓力聯(lián)合支撐，整體凍結(jié)而成，因此既可以為基質(zhì)支撐，也可以為顆粒支撐(圖3h)，單層厚度一般只有0.2～0.5 m，向上可過渡為塊狀礫巖或正遞變礫巖[20]。其內(nèi)部漂浮狀或近平行排列的長條形礫石等顆粒指示其形成于具有層流特點(diǎn)的碎屑流。塊狀礫巖多呈厚層或塊狀；礫石一般棱角狀至次棱角狀，大小混雜，多為砂泥基質(zhì)支撐，反映其塊狀固結(jié)成因；其內(nèi)部也可見長條狀顆粒順層分布，反映其層流特性(圖3i)。

3.3.2 砂質(zhì)碎屑流

砂質(zhì)碎屑流沉積物多為塊狀構(gòu)造，骨架組分以砂級(jí)顆粒為主。有時(shí)見泥巖撕裂屑、泥質(zhì)團(tuán)塊或條帶、砂質(zhì)團(tuán)塊以及炭屑等呈分散狀均勻懸浮分布在砂巖中或集中出現(xiàn)(圖3j,k)，表現(xiàn)出基質(zhì)支撐的特點(diǎn)，是塊狀砂巖成因于砂質(zhì)碎屑流的有力證據(jù)。洪水型和滑塌型碎屑流均可形成塊狀砂巖；若砂質(zhì)碎屑流沉積較快，未固結(jié)的塊狀砂會(huì)發(fā)生液化而形成液化變形構(gòu)造。砂質(zhì)碎屑流沉積物粒度概率累積曲線多呈寬緩上拱的弧形，反映其成因于基質(zhì)支撐的搬運(yùn)和沉積過程[21]。

圖3 孤島西部斜坡帶沙三段主要重力流沉積物特征Fig.3 Characteristics of main gravity flow sediments of the Third Member of Shahejie Formation in Gudao West Slope Zone

3.4 液化沉積物流

懸浮沉積物沿2°或3°以上的斜坡迅速運(yùn)動(dòng)時(shí)，超孔隙壓力引起的向上逃逸的粒間水流產(chǎn)生牽引力支撐砂級(jí)顆粒形成液化沉積物流?？紫秹毫υ诹鲃?dòng)過程中很快消散引起液化流減速而發(fā)生沉積；若液化流加速導(dǎo)致紊動(dòng)，則向顆粒流或濁流轉(zhuǎn)化。液化流沉積物常為顆粒支撐的細(xì)砂和粗粉砂，與泥巖構(gòu)成薄互層，以發(fā)育液化變形構(gòu)造為特征，在研究區(qū)中以液化成因砂(泥)巖脈(圖3l)最為常見。古地貌恢復(fù)表明研究區(qū)古坡度東陡西緩，多在8°～10°，使得液化沉積物極易因重力加速發(fā)生紊動(dòng)迅速向濁流轉(zhuǎn)化，因很難穩(wěn)定存在而無規(guī)模性發(fā)育。沙三段巖芯中的典型液化流沉積物僅見于坡度較緩的中部地區(qū)，在取芯井巖芯中沿Y114井—L355井—L35井呈北西向帶狀分布，為來自西南部的辮狀河三角洲前緣砂體滑塌再搬運(yùn)過程中液化流動(dòng)形成。

3.5 濁流

濁流是由湍流支撐的具有牛頓流體性質(zhì)的流體流，因不具有屈服強(qiáng)度，一旦受到外力作用就會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其能量呈涌浪狀遞減，外力減小時(shí)以懸浮沉降方式發(fā)生卸載[22]，其最為典型的鑒別特征是底部的正遞變層理。正遞變礫巖系因懸浮沉降和受阻沉降沉積而成，正遞變砂巖則主要成因于懸浮沉降，其底部均常發(fā)育底模和含泥礫的沖刷面；兩者或相互疊置出現(xiàn)形成“AA”序或上覆平行層理砂巖形成“AB”序(圖3m，n，o)。濁流沉積物粒度概率累積曲線多呈簡單一段式，反映其成因于湍流支撐的搬運(yùn)和沉積過程[23]。

4 討論

4.1 不同觸發(fā)機(jī)制重力流演化過程

在對(duì)研究區(qū)主要重力流類型和沉積特征研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)各種重力流沉積的測(cè)井響應(yīng)特征應(yīng)用于全區(qū)120余口探井，并結(jié)合粒度概率曲線反映的流體類型演化過程以及沉積相、斷層活動(dòng)規(guī)律研究成果，由點(diǎn)及面，認(rèn)為研究區(qū)發(fā)育洪水型和滑塌型兩種成因的重力流，分別形成不同的沉積相類型，其流體演化過程也各具特色。

4.1.1 洪水型重力流

研究區(qū)洪水型重力流主要發(fā)育在扇三角洲前緣和近岸水下扇沉積中。孤島凸起是研究區(qū)東部物源區(qū)，洪水期大量碎屑物質(zhì)經(jīng)短距離搬運(yùn)自孤島凸起西部斜坡入湖形成扇三角洲或近岸水下扇。洪水期河流因攜帶大量陸源碎屑而密度高于環(huán)境水體，進(jìn)入湖盆后沿湖底流動(dòng)，形成水下重力流。研究區(qū)由于斷裂掀斜作用形成的近東西向斷槽和溝谷為流體提供了流動(dòng)通道，促進(jìn)了重力流的發(fā)育。沉積物中富含紅、黃等氧化色的礫石、植物碎屑以及由洪水能量變化形成的反—正復(fù)合遞變層理是洪水型重力流的典型識(shí)別標(biāo)志(圖4)。

(1) 碎屑流階段

洪水入湖初期，由于流體密度相對(duì)較大，水、黏土和細(xì)碎屑組成的基質(zhì)支撐粗碎屑顆粒形成碎屑流在重力驅(qū)動(dòng)下沿著水道或斷槽以塊體搬運(yùn)，當(dāng)?shù)匦巫兙徎蛄黧w流速減慢時(shí)，沉積物失去動(dòng)力而發(fā)生整體沉積。大小懸殊的淺紅、黃等氧化色礫石呈次棱角狀漂浮于黏土及細(xì)碎屑組成的雜基中，其粒度概率累積曲線為上拱弧形(圖4)，懸浮組分含量高且分選差。

圖4 洪水型重力流演化模式示意圖Fig.4 Diagram of evolution mode of flood-type gravity flow

(2) 異重流階段

隨著碎屑流向盆地內(nèi)部方向流動(dòng)，在粗碎屑沉積作用和環(huán)境水體稀釋作用的共同影響下逐漸向密度較低的異重流轉(zhuǎn)化。異重流較經(jīng)典濁流持續(xù)時(shí)間長，其沉積物沉積過程主要受控于洪水的能量狀態(tài)，往往形成兩種特征明顯的沉積構(gòu)造組合：一種是具有底沖刷構(gòu)造的正遞變層理。在碎屑流向異重流轉(zhuǎn)化的初期，由于流體密度大、流速快，具有一定的侵蝕作用，會(huì)形成沖刷侵蝕面；隨著流體流速的減慢和紊動(dòng)性的消失，懸浮的沉積物逐級(jí)沉降，形成正遞變層理。另一種是反—正復(fù)合遞變層理。小型洪水進(jìn)入湖盆可直接形成異重流，早期流體或不具備侵蝕能力，之后隨流體能量逐漸增強(qiáng)，沉積物逐級(jí)沉降形成反遞變層理；至流體能量逐漸衰減期，由于流體紊動(dòng)性降低，懸浮碎屑顆粒逐級(jí)沉降，形成正遞變層理。異重流沉積物在粒度概率累積曲線上表現(xiàn)為低斜率的兩段式(圖4)，與碎屑流相比懸浮組分含量明顯變高，且分選更好。

4.1.2 滑塌型重力流

沉積于斜坡上的扇三角洲以及辮狀河三角洲前緣沉積物不斷前積的堆積方式?jīng)Q定了其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生滑塌形成重力流[24]；研究區(qū)廣泛發(fā)育的活動(dòng)性正斷層為這些前積砂體提供了更多的滑動(dòng)和滑塌動(dòng)力。

(1) 滑動(dòng)—滑塌階段

扇三角洲和辮狀河三角洲前緣砂體失穩(wěn)塌落后，在重力作用下沿斜坡呈塊體向下滑動(dòng)。研究區(qū)滑動(dòng)巖多見于扇三角洲前緣的河口壩和席狀砂沉積中，巖芯尺度上的特征為發(fā)育一系列微斷層，階梯狀者多見，單條產(chǎn)出的少見；其中，在滑塌體根部多為拉張成因的正斷層，趾部則因沉積物受重力作用快速向斜坡下方滑塌俯沖擠壓形成逆斷層?；瑒?dòng)巖粒度概率累積曲線繼承物源相特征(圖5)。

圖5 滑塌型重力流演化模式示意圖Fig.5 Diagram of evolution mode of slump-type gravity flow

滑動(dòng)巖沿斜坡或斷層面向下滑移過程中，在重力作用下獲得越來越大的速度；當(dāng)滑移至斜坡根部時(shí)，由于地形驟然變緩，在慣性和碰撞作用的共同影響下發(fā)生揉皺破碎，部分陷入深湖—半深湖暗色泥巖之中，形成明顯的滑塌構(gòu)造，甚至造成巖性混雜。

(2) 碎屑流階段

破碎后的沉積物由于環(huán)境水體的稀釋作用，開始向碎屑流轉(zhuǎn)化，巖芯中的泥巖撕裂屑和其他礫石定向性好，反映了碎屑流的層流作用(圖3j，k)；部分巖芯中的碎屑依然部分保留著原始沉積物的沉積構(gòu)造，顯示滑塌巖向碎屑流轉(zhuǎn)化的過程?；退樾剂髟诹６雀怕世鄯e曲線上表現(xiàn)為明顯的上拱弧形，是典型的重力流沉積特征。

(3) 濁流階段

隨著粗碎屑不斷沉積和環(huán)境水體的稀釋作用，碎屑流逐漸向密度更低的濁流轉(zhuǎn)化，形成重荷模構(gòu)造或與下伏深湖泥巖直接接觸的正遞變層理砂巖。

對(duì)研究區(qū)沙三段巖芯中滑塌重力流沉積體的流體類型垂向演化特征研究表明其主要為碎屑流—濁流組合的反復(fù)出現(xiàn)，且碎屑流沉積井段的長度遠(yuǎn)大于濁流沉積井段(圖6)。這一流體演化特征反映研究區(qū)內(nèi)滑塌型重力流演化基本上處于滑塌—碎屑流階段或碎屑流向濁流轉(zhuǎn)化的早期階段，因此推測(cè)研究區(qū)以北水體更深、地形更緩的渤南洼陷會(huì)大量發(fā)育濁流沉積。

圖6 孤島西部斜坡帶沙三段滑塌扇中端亞相流體類型垂向演化特征Fig.6 Characteristics of vertical fluid type evolution of subfacies at middle end of slump fan in the Third >Member of Shahejie Formation, Gudao West Slope Zone

4.2 重力流砂體展布特征與沉積模式

4.2.1 流體性質(zhì)與同生變形構(gòu)造的層位和平面分布特征

(1) 粒度概率累積曲線反映的流體性質(zhì)的分布與演化

本次研究對(duì)孤島西斜坡沙河街組沙三段粒度樣品的概率累積曲線圖依據(jù)其反映的流體類型分為“重力流型”，“混合型”和“(準(zhǔn))牽引流型”三大類(表1)。由表1可知，研究區(qū)沙三下亞段重力流較沙三中亞段更發(fā)育，且以碎屑流(泥石流)及其向濁流過渡類型為主，濁流少見，與其地處近物源斜坡區(qū)的地質(zhì)背景相適應(yīng)。

重力流型粒度概率累積曲線曲線比例與斷層活動(dòng)速率關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，兩者具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明同沉積斷層活動(dòng)對(duì)研究區(qū)流體類型具有顯著的影響。同時(shí)也說明斷層活動(dòng)是研究區(qū)沉積物二次搬運(yùn)的重要觸發(fā)機(jī)制：斷層活動(dòng)速率越大，二次搬運(yùn)發(fā)生的幾率和初始搬運(yùn)速度就越大，重力流也就越發(fā)育。

進(jìn)一步分析不同層位流體類型平面分布特征發(fā)現(xiàn)，沙三下亞段由南向北重力流比例沿?cái)嚯A層層下掉而層層增加(圖7a)，反映斷層活動(dòng)和斷階地形對(duì)流體性質(zhì)演化控制作用顯著，使斜坡沉積物失穩(wěn)逐級(jí)加劇。沙三中亞段流體性質(zhì)演化趨勢(shì)分為北西和近東西兩支(圖7b)。其中，北西支流體性質(zhì)演化受斷階帶影響，重力流比例由南向北逐漸增加；東西支則由東向西牽引流比例逐漸增加，反映流體性質(zhì)隨搬運(yùn)距離漸遠(yuǎn)由重力流逐漸向牽引流轉(zhuǎn)化的過程。

(2) 同生變形構(gòu)造的層位與平面分布

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)所有巖芯段滑塌構(gòu)造等同生變形構(gòu)造的發(fā)育程度發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)沙三段同沉積變形構(gòu)造在平面上的分布具有一定的規(guī)律性。由南至北，即向斜坡帶下方，滑塌百分比(100%×原生滑塌構(gòu)造發(fā)育井段巖芯長度/巖芯總長度)逐漸增大，在同沉積斷層下降盤附近取芯段滑塌百分比達(dá)到在10%以上，甚至超過35%。同沉積微斷層僅見于研究區(qū)北部，一方面反映滑塌體在重力作用下不斷加速以致在下游方向斷裂，同時(shí)也反映研究區(qū)北部斷層活動(dòng)性強(qiáng)于南部斷層。沙三段沉積時(shí)期孤北斷裂的活動(dòng)速率明顯高于孤南斷裂[6]，造就了研究區(qū)北部與南部構(gòu)造活躍程度的差異性，進(jìn)而導(dǎo)致了同生變形構(gòu)造上述差異性發(fā)育。

表1 孤島西部斜坡帶沙三段粒度概率累積曲線流體類型Table 1 Fluid type reflected by probability cumulative grain size curve of the Third Member of Shahejie Formationin Gudao West Slope Zone

圖7 孤島西部斜坡帶沙三段粒度概率累積曲線流體類型平面分布Fig.7 Planar distribution of fluid types reflected by probability cumulative grain size curve of the Third Member of Shahejie Formation in Gudao West Slope Zone

4.2.2 源—匯耦合體系下的重力流砂體展布

從剝蝕區(qū)形成的物源，包括風(fēng)化剝落的顆粒沉積物和溶解物，搬運(yùn)到沉積區(qū)或匯水盆地中最終沉積下來，這一過程被稱之為源—匯系統(tǒng)[25-32]。“源—匯”以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)將物源區(qū)、搬運(yùn)通道及沉積場所等研究對(duì)象系統(tǒng)化，使得人們對(duì)碎屑來源、搬運(yùn)過程、深水砂體分布與成因及構(gòu)造演化等方面的認(rèn)識(shí)漸臻深刻[33-35]。2010年以來，源—匯分析成為地學(xué)研究熱點(diǎn)之一，“源—匯”思想在斷陷湖盆沉積體系研究中的應(yīng)用見諸文獻(xiàn)[36-40]。應(yīng)將沉積物從剝蝕到搬運(yùn)、沉積的整個(gè)沉積動(dòng)力學(xué)過程看成一個(gè)完整的源—匯系統(tǒng)來探討砂巖的富集機(jī)理[36]。

前已述及，研究區(qū)沙三段時(shí)期具有孤島凸起和陳家莊凸起兩個(gè)物源，前者為研究區(qū)從東側(cè)提供近源陡坡碎屑，后者為研究區(qū)從南側(cè)和西南側(cè)兩個(gè)方向提供緩坡物源，與同沉積斷層活動(dòng)有關(guān)的構(gòu)造古地貌為碎屑物質(zhì)提供了高效的匯聚體系。具體來說，研究區(qū)具有斷槽溝谷、斷裂坡折、斷裂走向斜坡及緩坡溝谷等4種主要的源—匯耦合體系，控制和影響了沙三段沉積砂體，特別是重力流路徑及其砂體的展布。

(1) 斷槽溝谷源—匯耦合體系

沙三段時(shí)期，孤北斷層和孤南斷層較為活躍，孤西斷層南段活動(dòng)衰減，在其西傾斷面上發(fā)育一系列斷槽和侵蝕溝谷，這些斷槽、侵蝕溝谷和孤島凸起物源區(qū)一起構(gòu)成了斷槽溝谷式源—匯體系，在研究區(qū)東部沿孤島凸起坡腳沉積多個(gè)自東向西搬運(yùn)沉積的近岸水下扇和扇三角洲砂體(圖8)。

(2) 斷裂坡折源—匯耦合體系

研究區(qū)沙三段自南向北發(fā)育多條近東西向或北東東向同沉積斷層，形成從南東向北西階梯狀層層下掉的多級(jí)臺(tái)階型斷裂坡折帶，不僅為辮狀河三角洲、扇三角洲前緣等未固結(jié)的沉積物提供了滑動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制和滑塌體繼續(xù)向前搬運(yùn)的動(dòng)力，也為流體類型的轉(zhuǎn)化提供了有利條件，使滑塌沉積物沿?cái)嗥聨Щ瑒?dòng)過程中速率不斷增大、動(dòng)能不斷增強(qiáng)，流體轉(zhuǎn)化加劇，順斷坡傾向?qū)訉酉碌粜纬纱闋罨w(圖9)。

(3) 斷裂走向斜坡源—匯耦合體系

研究區(qū)東部斷層走向多為NEE向，西部斷層走向?yàn)榻麰W向。走向有差異、傾向相同的斷層交互處由于(部分)連接了一條斷層的上盤和另一條斷層的下盤而形成地勢(shì)較低的走向斜坡[36]，其向湖盆方向呈喇叭狀張開。這種走向斜坡改變了斷槽溝谷源—匯體系對(duì)重力流沉積物搬運(yùn)和沉積的制約，使其由東向西沿著NEE斷階流動(dòng)至斷層交匯處轉(zhuǎn)為垂直于斷層走向方向繼續(xù)向研究區(qū)內(nèi)部延伸，形成“L”型展布(拐彎重力流)的砂體(圖10)。

圖8 孤島西部斜坡帶沙三段底部古地形示意圖(a)和沙三下亞段沉積相平面分布圖(b)Fig.8 Diagram of paleotopography at the base of the Third Member of Shahejie Formation in Gudao West Slope Zone (a) and planar distribution of sedimentary facies of the lower submember of the Third Member of Shahejie Formation (b)

圖9 過K622—Y901—24井地震剖面和斷裂坡折源—匯耦合體系及重力流砂體展布Fig.9 Seismic profile across Wells K622-Y901-24, source-to-sink system of fault slope break and distribution of gravity flow sand bodies

(4) 緩坡溝谷源—匯耦合體系

陳家莊凸起作為研究區(qū)西南部和南部沉積物的物源區(qū)，其基巖組分和平面分布差異性明顯，使得研究區(qū)西南部(陳家莊凸起西段)與南部(陳家莊凸起東段)兩個(gè)物源體系存在明顯差異。陳家莊凸起緩坡沙三段沉積時(shí)期主要發(fā)育6條溝谷[5]。本次研究古地形恢復(fù)、泥巖顏色分布和地震解釋結(jié)果均表明西南部沿K101—K102井一線發(fā)育源自陳家莊凸起的由西南向東北延伸的古溝谷(圖8a)，在南部K631井區(qū)附近發(fā)育南北向溝谷，且其內(nèi)發(fā)育底凸式水道充填砂體。

上述古溝谷為來自于陳家莊凸起的碎屑物質(zhì)向研究區(qū)內(nèi)部輸送提供了搬運(yùn)通道，構(gòu)成緩坡溝谷源—匯體系，在水淺坡緩的背景下于古地形坡折處卸載堆積形成辮狀河三角洲沉積，其前緣受同沉積斷層活動(dòng)引起的古地震的觸發(fā)形成滑塌型重力流，在斜坡帶下方更深水區(qū)形成滑塌扇砂體。

4.2.3 重力流成因砂體發(fā)育模式

上述四種源—匯體系并非孤立，而是相互銜接配合，共同構(gòu)成陸相湖盆斷裂斜坡帶復(fù)雜而獨(dú)特的源—匯耦合體系，制約著沉積砂體，特別是重力流砂體的時(shí)空展布。如斷槽溝谷與斷裂走向斜坡、斷裂坡折相耦合，構(gòu)成物源來自孤島凸起的源—匯復(fù)合體系，將重力流沉積物由東向西再向北搬運(yùn)至坡折處或深洼陷區(qū)沉積；緩坡溝谷與斷裂坡折相耦合，構(gòu)成物源來自陳家莊凸起的源—匯復(fù)合體系，將碎屑物質(zhì)沿緩坡搬運(yùn)至沉積區(qū)，再由斷裂地震觸發(fā)，形成滑塌型重力流沉積體。來自孤島凸起源—匯復(fù)合體系和來自陳家莊凸起源—匯復(fù)合體系的滑塌體有可能疊合在一起，加劇了滑塌扇體沉積組分和時(shí)空展布的復(fù)雜程度，這也是下一步該區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

圖10 過K622—K62井地震剖面和走向斜坡源—匯耦合體系控砂模式Fig.10 Seismic profile across Wells K622-K62 and sand control mode of source-to-sink system of strike slope

在上述研究基礎(chǔ)上，建立了孤島西斜坡沙河街組沙三段陸—湖源—匯體系下的重力流成因砂體發(fā)育模式(圖11)。沙河街組沙三段沉積時(shí)期，研究區(qū)東部緊接孤島凸起，地形坡度較大且斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，物源來自孤島凸起，主要發(fā)育扇三角洲前緣亞相和近岸水下扇相，在斷層下降盤發(fā)育滑塌扇相。研究區(qū)西部坡度緩，且斷層對(duì)沉積的控制作用較小，主要發(fā)育相對(duì)遠(yuǎn)源的辮狀河三角洲前緣亞相以及湖泊灘壩亞相，滑塌扇相發(fā)育較少。

圖11 孤島西部斜坡帶沙三段“源—匯”體系下的重力流成因砂體發(fā)育模式Fig.11 Development mode of sand bodies of gravity flow origin under “source-to-sink” system of the Third Member of Shahejie Formation in Gudao West Slope Zone

5 結(jié)論

(1) 沾化凹陷孤島西部斜坡帶沙三段沉積時(shí)期具有來自東部孤島凸起及西南部陳家莊凸起的兩個(gè)物源方向和東部、南部、西南部三個(gè)碎屑來源通道，發(fā)育異重流、碎屑流、濁流、液化流和滑動(dòng)—滑塌五種沉積物重力流和扇三角洲、近岸水下扇、滑塌扇三種與重力流有關(guān)的沉積相類型。

(2) 根據(jù)觸發(fā)機(jī)制將研究區(qū)沉積物重力流分為洪水型和滑塌型兩類，其流體演變基本處于碎屑流向濁流演化的早期階段，推測(cè)研究區(qū)以北深水區(qū)仍發(fā)育碎屑流沉積且開始廣泛發(fā)育濁流沉積。

(3) 構(gòu)造作用對(duì)流體性質(zhì)與演化、同生變形構(gòu)造和重力流成因砂體的發(fā)育與分布有明顯的控制作用，為碎屑物質(zhì)提供了高效的匯聚體系?？傮w上，研究區(qū)具有斷槽溝谷、斷裂坡折、斷裂走向斜坡及緩坡溝谷等4 種主要的源—匯耦合體系，控制和影響了研究區(qū)沙三段沉積砂體，特別是重力流砂體的展布。

(4) 研究區(qū)沙三段自下而上由(半)深湖、近岸水下扇、滑塌扇沉積演變?yōu)闉I淺湖、辮狀河三角洲以及扇三角洲沉積。東部主要發(fā)育物源來自孤島凸起的扇三角洲前緣亞相和近岸水下扇相，西部主要發(fā)育相對(duì)遠(yuǎn)源的辮狀河三角洲前緣亞相以及湖泊灘壩亞相，中部發(fā)育滑塌扇相。

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